Una nuova classe di materiali bidimensionali potrebbe rendere il fotovoltaico così sottile e leggero da essere utilizzato su qualsiasi superficie, assorbendo al tempo stesso una quantità sorprendente di luce.
Fotovoltaico con materiali 2D, a che punto siamo?
La nuova frontiera del fotovoltaico integrato? I dicalcogenuri di metalli di transizione (TMDC), materiali bidimensionali che potrebbero un giorno prendere il posto di silicio e altri semiconduttori nelle celle solari ad alta efficienza.
La ricerca è ancora all’inizio, ma un gruppo di scienziati dell’Istituto di Energia Solare del Politecnico di Madrid (UPM) sta lavorando su questi materiali 2D per trasformare le promesse in realtà.
Nel dettaglio, il team ha sviluppato micro-prototipi di celle solari ultrasottili a base di diseleniuro di tungsteno (WSe2) o di disolfuro di molibdeno (MoS2), due dei TMDC più studiati. Questi semiconduttori, in quanto materiali di van der Waals, mantengono la stabilità meccanica fino allo spessore di un monostrato, riuscendo allo stesso tempo ad assorbire una buona porzione della luce incidente. Non solo: sono composti da elementi abbondanti nella crosta terrestre e risultano estremamente facili da produrre.
I punti di forza? Nel fotovoltaico agiscono come una sorta di sottilissimi filtri intelligenti, usando la luce necessaria e facendo passare oltre il resto. In altre parole, le celle solari in MoS2 e in WSe2 risultano trasparenti grazie ad uno spessore infinitesimale del semiconduttore, pur assicurando efficienze tra il 13% e il 25%.
Il punto debole? Al contrario di quanto avviene nel silicio, quando la luce colpisce il materiale forma un eccitone (elettrone e lacuna ancora legati assieme) che deve essere “rotto”. Ma il vero problema è riuscire ad avere un controllo preciso dello spessore fino a un monostrato, obiettivo attualmente impossibile da raggiungere con metodi di produzione su larga scala economicamente vantaggiosi.
Il team spagnolo ha ottenuto le sue microcelle grazie a una tecnica chiamata hot-pick-up, in cui frammenti dei materiali vengono selezionati, raccolti e depositati all’interno di una bolla trasparente, formando eterostrutture a strati ottimizzate per le specifiche esigenze sperimentali. La versatilità del processo ha permesso di sperimentare con diversi materiali che, combinando le loro proprietà uniche, consentono un assorbimento ottimale dell’energia solare. “Utilizzando tale tecnica,” si legge nel sito dell’ateneo, “il gruppo ha raggiunto livelli di efficienza che collocano l’UPM tra le università leader in questa tecnologia”.
Oggi gli scienziati stanno lavorando a nuove tecniche per scalare il processo di produzione del fotovoltaico con materiali 2D da soluzione su ampie superfici. “Attraverso tecniche di nebulizzazione (spray coating) e deposizione di tali soluzioni, sarebbe possibile scalare i processi produttivi, riducendo i costi e consentendo l’industrializzazione di questa tecnologia fotovoltaica di rottura”, spiegano i ricercatori.
Parallelamente, è stato analizzato l’impatto reale che l’integrazione di questa tecnologia avrebbe nei centri urbani. Simulando gli effetti del rivestimento di un grattacielo a Madrid con questi materiali in configurazione semitrasparente, è stato stimato che si possa coprire fino al 33% del fabbisogno energetico dell’edificio. Questo valore può essere raggiunto mantenendo condizioni di illuminazione ottimali all’interno dell’edificio, con un elevato indice di resa cromatica, un adeguato indice di temperatura di transizione anulare e valori di luminosità accettabili.
